[发明专利]形成混合铝基复合涂层的方法和组合物

说明书

形成复合涂层的方法和由此形成的复合涂层。提供一种在基体的表面形成金属基复合涂层的方法。所述基体为铝合金。所述金属复合涂层通过激光沉积用包含铝、硅和石墨的填充材料在所述基体上形成。形成金属基复合涂层的微粒是在原位上用填充材料形成的。另外还提供一种通过所述激光沉积方法用在原位形成微粒而获得的金属基复合涂层。

技术领域

本发明涉及用于形成铝基体金属复合涂层的方法。更具体地，本发明涉及通过激光沉积在原位形成复合涂层从而在铝合金基体上形成金属基复合材料的方法。

背景技术

铝合金拥有优越的性能，比如强度重量比大、密度低、塑性和延展性好以及耐腐蚀性好。这些合金在汽车、航天和高速火车等领域得到了广泛的应用。

然而由于硬度低和耐磨性较差，铝合金在重型环境的应用受到限制。例如，在应用于由磨损效应或热效应，以及磨损和热效应而受压的系统如发动机部件时，铝合金暴露出对功能面上额外修正的需要。因而在其他原因之外，希望能开发出先进的材料和方法技术来提高铝合金的耐磨性。

不同的表面工程技术已经被应用在铝合金上来提高耐磨性。例如，出于提高发动机气缸孔表面耐磨性的考虑，热喷涂涂层已经被广泛应用在发动机气缸孔中。然而，由于与基体较差的机械附着力和大量的孔隙，热喷涂涂层很容易脱落。

另一方面，激光表面沉积(合金化或喷镀)，以下称为沉积，相比热喷涂方法拥有许多优势。事实上，激光沉积提供了厚而密的涂层，该涂层可以与基体冶金地结合，具有低应力和低变形，并具有精细的显微结构。

再则，已经证实微粒增强的铝-金属基复合材料(Al-MMCs)能显著提高铝合金的强度和硬度，从而提高耐磨性。一个典型的例子是碳化硅SiC微粒增强的铝基复合材料，这种材料在过去的20年里得到了广泛的研究，目前广泛应用于航空航天、汽车和电子工业。铝-金属基复合材料(Al-MMC)表现出了轻质、高比模量和优异的耐磨性等优良性能。

此外，当铝合金用于不能使用油类和润滑脂的高温环境时，润滑难题一直是一个问题。为了解决这个问题，石墨被作为一种固体润滑剂添加到铝合金或Al/SiC块金属基复合材料中，以形成在宽的温度范围内具有良好自润滑性能的高级混合铝-金属基复合材料(Al-MMC)。相比需要定期使用润滑剂的传统材料，自润滑金属基复合材料提供了许多改进。

与传统的整体合金相比，上述材料的一些主要缺点是:成本高，生产方法复杂。

一般来说，SiC微粒增强的铝基复合材料可以使用数种非原位方法来制造，如熔融搅拌、渗透和流变铸造技术。在微粒金属基复合材料的制造方法中，熔融搅拌法因其成本低、简单和生产率高而最为常用。在这种方法中，预热后的SiC微粒被注入铝液中，叶轮的高速旋转是熔融混合的驱动力。然而，由于增强微粒对金属熔体的可湿性较低，将其均匀分散在金属熔体中是非常困难的。而且，由于基体与增强体界面的孔隙和分离，界面结合可能被削弱。

目前，已知的制造Al/SiC合涂层的方法包括激光沉积。已知的生产大块Al/SiC金属基复合材料(Al/SiC MMC)的方法包括粉末冶金、液态铸造或气压渗透法。可惜的是，所合成的材料有许多缺点。在激光沉积过程中，SiC微粒与铝基体之间的界面反应不可避免，因而导致形成软脆的三碳化四铝(Al₄C₃)相。这对复合材料的力学性能是有害的。此外，Al₄C₃在潮湿环境中经历快速腐蚀，产生非晶态铝氧化合物，由于水合过程中体积增加在铝基中引起相当大的应变。由于Al₄C₃的脆性和高应力，Al₄C₃与基体之间及Al₄C₃内部经常形成裂纹。增强剂与基体之间的可湿性差是已知的非原位方法的另一个主要问题，导致在涂层中形成孔隙。

综上所述，需要改进的方法技术来合成增强剂更稳定的金属基复合材料。这种方法技术最好能在提供牢固界面结合和更均匀基体的同时带来更少的降级。